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Approche enzymatique pour la synthèse d'Esters Carboxyliques employés industriellement comme arômes et fragrances.

Brault, Guillaume (2014). Approche enzymatique pour la synthèse d'Esters Carboxyliques employés industriellement comme arômes et fragrances. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut National de la Recherche Scientifique, Doctorat en biologie, 156 p.

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Résumé

Les esters carboxyliques de faible poids moléculaire sont des molécules volatiles aux propriétés aromatisantes rappelant les fruits et les fleurs. Leur utilisation industrielle est très importante au niveau des produits alimentaires, pharmaceutiques et des produits cosmétiques. Ces arômes et fragrances peuvent être extraits à grand frais de biomasses naturelles ou peuvent être synthétisés chimiquement selon des procédés industriels polluants. La demande croissante du public pour des produits certifiés biologiques et écologiques incite les compagnies productrices de ces esters à trouver des voies alternatives de synthèse. L'application de la biocatalyse selon un cadre de chimie verte permet de répondre à cette demande. Les enzymes lipolytiques (lipases et estérases) sont des biocatalyseurs robustes capables de synthétiser ces molécules selon les conditions exigeantes des procédés industriels. Néanmoins, les coûts de production de ces enzymes et leur efficacité moindre comparativement aux catalyseurs chimiques ne permettent pas encore d'envisager leur utilisation compétitive à grande échelle. Afin de répondre à cette problématique, une banque d'enzymes lipolytiques a été construite à partir des informations provenant d'une librairie métagénomique criblée chez Escherichia coli dont l'analyse a été effectuée antérieurement à la présente étude. Cette banque a aussi été bonifiée avec l'ajout de séquences correspondant à des gènes lipolytiques présomptifs provenant du criblage génomique de l'actinomycète Streptomyces coelicolor. L'analyse de ces séquences supplémentaires a permis d'identifier une nouvelle estérase aux propriétés psychrophiles intéressantes. De plus, une lipase provenant de l'étude métagénomique a été exprimée chez l'hôte hétérologue E. coli afin d'être produite sous forme intracellulaire. Ce type d'expression a rendu possible le développement d'un biocatalyseur en cellules entières pour la synthèse efficace d'esters carboxyliques reconnus comme étant des arômes importants. Un montage en mini-réacteur a été employé pour synthétiser à haut rendement l'un des ingrédients principaux des saveurs de banane et de poire, l'acétate d'isoamyle. La simplicité et l'efficacité de ce type de biocatalyseur permettent d'envisager son utilisation à grande échelle pour la production d'autres arômes d'importance industrielle. Des travaux d'optimisation des enzymes par génie génétique et le développement de techniques de cultures à grande échelle devront toutefois être menés avant de pouvoir évaluer complètement la compétitivité de l'utilisation de ce biocatalyseur selon un contexte de production industrielle.

Abstract

Short-chain carboxylic esters are important flavours and aromas reminiscent of fruits and flowers. They are widely used industrially in the food, pharmaceutical and cosmetic domains. These esters can be extracted from natural sources at great expenses or can be synthesized chemically using industrial processes with high environmental impacts. However, there is a growing demand for the usage of "natural" molecules issued from more eco-friendly processes. The utilization of biocatalysts (enzymes) in a green chemistry context can answer this problematic. Lipases and esterases are robust enzymes that are able to synthesize these molecules in the harsh conditions associated with industrial production. Nevertheless, the actual production cost ofthese enzymes and their inherent lower activity compared to the traditional chemical catalysts need to be improved in order to be employed at large scales. ln order to answer these limitations, a bank of lipolytic enzymes was constructed from the mining of the information gathered after a metagenomic library expressed in Escherichia coli in a previous study. This bank was extended with the genomic screening of the versatile actinomycete Streptomyces coelicolor. Analysis of the selected enzymes from this bank allowed the identification of a new cold-adapted esterase from S. coelicolor. Furthermore, a promising lipase from the metagenomic study was cloned into the heterologous host E. coli in order to be expressed and immobilized into the cytoplasm of the ce lis. These ce lis were employed as whole-cell catalysts for the efficient synthesis of short-chain carboxylic esters known as important flavours. The biocatalyst produced was used in a small reactor to produce with high yields the important banana flavour, isoamyl acetate. The simplicity and the yields obtained from this whole-cell catalyst suggest it could be used for the mass production of industrially relevant aromas and flavours. Still, lipase optimisation through genetic modifications and creation of largescale techniques for culture of this whole-cell catalyst are needed before the competitiveness of this biocatalyst can be fully assessed for industrial applications.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Shareck, François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Doucet, Nicolas
Mots-clés libres: biocatalyseur ; enzyme ; lipase ; streptomycete
Centre: Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt: 16 mars 2016 20:56
Dernière modification: 16 mars 2016 20:56
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3333

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